Ученые из Антверпенского университета в Бельгии совершили прорыв в понимании того, как устроены так называемые кабельные бактерии – уникальные микроорганизмы, способные передавать электрический ток на расстояние до нескольких сантиметров. Их работа раскрывает молекулярную структуру проводящих волокон, которые делают эти бактерии «живыми проводами». В основе этой способности лежит механизм, кардинально отличающийся от других известных биологических проводников: это не белки с железосодержащими кофакторами, как у других электроактивных микробов, а никель-органический комплекс, образующий упорядоченную металлоорганическую структуру. Это открытие не только объясняет, как бактерии передают ток с необычно высокой для биоматериалов эффективностью, но и открывает новые возможности для разработки биоразлагаемой и гибкой электроники будущего.
Ученые изучили бактерию Candidatus Electrothrix gigas, которую выращивали в лабораторных условиях в виде длинных нитей из последовательно соединенных клеток. В оболочке каждой такой нити проходят десятки параллельных волокон, которые обеспечивают перенос электронов на большие для микроорганизмов расстояния. Чтобы определить их внутреннее устройство, исследователи использовали электронную и рентгеновскую микроскопию, несколько видов спектроскопии и компьютерное моделирование.
Исследование показало, что каждое проводящее волокно диаметром около 49 нм содержит в среднем 11 переплетенных нанолент толщиной примерно 1,4 нм. В них атомы никеля связаны с серосодержащими органическими молекулами. Эти никель-органические звенья повторяются вдоль волокна, образуя протяженную проводящую структуру. По своему строению она напоминает синтетические никель-бис-дитиоленовые полимеры, известные высокой электропроводностью, однако подобные проводящие структуры прежде не обнаруживали в биологических системах.
Именно такое устройство, по мнению ученых, позволяет объяснить необычную проводимость кабельных бактерий. В большинстве известных биологических систем для дальнего переноса электронов используются железосодержащие центры, между которыми электроны последовательно «перепрыгивают». В волокнах кабельных бактерий заметного накопления железа исследователи не обнаружили. Вместо этого электроны могут перемещаться вдоль протяженных никель-органических структур, составляющих наноленты. В свою очередь, несколько нанолент объединены в одно волокно, образуя подобие многожильного электрического провода. Такая конструкция обеспечивает высокую проводимость и одновременно сохраняет гибкость.
Ранее электропроводность отдельных волокон кабельных бактерий оценивалась от 5 до 500 см/см, причем показатели заметно различались между волокнами. Для сравнения: у меди – одного из основных материалов для электрических проводов – этот показатель составляет около 596 тысяч см/см. Однако прежние значения для бактерий рассчитывались исходя из площади всего волокна, тогда как ток, согласно новой модели, проходит главным образом через гораздо более тонкие наноленты внутри него. Если учитывать только площадь этих нанолент, их расчетная электропроводность составляет от 150 до 15 тысяч см/см. В верхней части диапазона это примерно в 40 раз меньше показателя меди, но исключительно много для биологической структуры. По оценке исследователей, такая проводимость относится к числу самых высоких среди известных металлоорганических структур.
По мнению авторов, это первый известный пример металлоорганического каркаса, сформированного живым организмом. Открытие может подсказать новые подходы к созданию материалов для биоэлектроники: бактерии фактически самостоятельно формируют гибкие проводящие структуры, сочетающие электропроводность со способностью к самосборке и биоразложению. Понимание их молекулярного устройства в перспективе может помочь создавать аналогичные проводники искусственно и применять заложенные в них природой принципы при разработке новых электронных материалов.
